时间：2023-10-13 16:13:44
关键词： 组合逻辑电路；火灾报警；电路设计；仿真
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）16-0063-02
0 引言
组合逻辑电路的基本构成单元是门电路，与时序逻辑电路不同，组合逻辑电路无记忆功能，输出信号仅取决于当时的输入信号[1]。组合逻辑电路的设计是根据给定的实际问题，用逻辑函数进行表达，用数字电路来实现逻辑其功能。常用的中规模组合逻辑电路有编码器、译码器、数据选择器、加法器等。
在设计硬件电路之前，常用一些虚拟软件进行仿真设计，Multisim软件是一款应用较广，功能强大的电子电路设计开发与仿真软件[2-5]。
文中，以集成与非门74LS00、译码器74LS138和数据选择器74LS151为主要元件设计了产生火灾报警控制信号的三种电路，设计平台为基于windows系统的Multisim 12.0软件，并进行了仿真测试。
1 电路设计与仿真
组合逻辑电路的设计步骤一般为：①根据设计要求，定义输入、输出的逻辑状态；②填写真值表；③由真值表，写出逻辑函数的最小项表达式并进行化简；④采用相应的元器件进行电路布线。
文中，火灾报警系统的输入为烟感、温感和紫外光感三种火灾探测器，当其中两种或两种以上探测器检测到火灾信号时，则系统发出火灾报警信号。设烟感信号为A、温感信号为B、紫外光感信号为C，报警信号为Y，当有信号时为1，无信号时为0，列出真值表，如表1所示。
1.1 基于与非门的电路设计 集成与非门74LS00有14个管脚，可以实现4个二端输入与非逻辑功能，74LS10可以实现3个三端输入与非逻辑功能。由公式（2）可见，此报警控制电路需要4个与非门，即三个二端输入与非门，一个三端输入与非门，电路连接如图1所示，其中三个探测信号输入端接入74LS00的三个二端输入引脚，三个二端与非门的输出接入74LS10的一个三端与非门输入引脚。
图1中的XLC1为逻辑变换器，是一种虚拟仪器，可以接入报警系统的输入与输出端，测试与验证其逻辑功能，从图2可见，该电路真值表及逻辑函数表达式与设计要求一致。
1.2 基于译码器的设计 译码是编码的反过程，74LS138译码器是集成有三个输入端，八个输出端的中规模组合逻辑电路，译码器的各输出端引脚信号对应于输入端二进制信号的组合情况。
依公式（4）可知，只要将译码器对应的四个输出端引脚接入74LS20芯片中的一个四输入端与非门即可，电路如图4所示。图中，译码器74LS138的G1、～G2A与～G2B为控制端，当G1接高电平，～G2A与～G2B接低电平时，芯片才能实现译码功能。系统接入逻辑变换器，对整个电路的功能进行了测试，测试结果与图2所示一致。
1.3 基于数据选择器的设计 数据选择器可以根据地址输入端的二进制信号，对输入端信号进行选择。8选1数据选择器74LS151是集成有三个地址输入端A、B、C，8个数据输入端D0～D7的中规模组合逻辑电路。74LS151数据选择器的功能用逻辑函数表示为
这样只要将数据选择器的输入端进行适当的置位便可以实现此报警功能，电路如图4所示。
图中，数据选择器74LS151的～G为控制端，低电平有效，D3、D5、D6、D7接高电平，其余数据数据输入端接低电平，地址输入端A、B、C与数据选择器的输出Y端接入逻辑变换器，以验证逻辑电路功能，验证结果与图2所示一致。
2 结论
组合逻辑电路广泛应用于各种数字电路设计中，文中给出了用集成与非门74LS00、74LS10，中规模组合逻辑电路器件74LS138译码器、数据选择器74LS151设计火灾报警控制电路的三种方法，并用最新版本的Multisim软件进行了直观的仿真验证。三种电路设计中，运用数据选择器最为有效。Multisim软件为组合逻辑电路的设计与仿真提供了强有力的计算机虚拟平台。
参考文献：
[1]王毓银.数字电路逻辑设计[M].北京：高等教育出版社，2002.
[2]张晶，李心广.基于multisim的电路设计与仿真[J].计算机仿真，2005，22（5）：109-110.
[3]石嘉顺.基于multisim环境下的电路设计与仿真[J].计算机仿真，2007，24（12）：306-308.
【关键词】 组合逻辑电路；分析设计；教学起点；课程目标；教学方法
一、教学起点分析
1、教学内容及教学目标
组合逻辑电路的分析与设计是数字电子技术的重点内容，是士官大专学员必需掌握的部分，是数字电路的核心部分，是学员知识体系的重要组成部分。学习本节的目的是培养学员的逻辑思维方式，养成学员自主学习、独立思考和实际动手的能力，为后继的课程学习打下相应的基础。
（1）教学内容及教学目标。教学内容主要包括下面几个部分：复习第一章学习的门电路的符号及相对应的表达式、组合逻辑电路的概念、组合逻辑电路的分析方法和过程、写出输出函数的表达式。
教学目标：通过本节课的学习，要知道组合逻辑电路的概念；能总结出组合逻辑电路的特点；学会组合逻辑电路的基本分析方法；并通过仿真实验加强对所学内容的理解；形成分析和解决实际问题的能力；为专业知识的学习和适应岗位任职的实际需要打下基础。养成独立思考、刻苦钻研、善于质疑等良好习惯，形成严谨求实、一丝不苟的优良作风。
（2）对教学内容的理解。组合逻辑电路是数字电子技术的核心部分，这部分内容在日常生活中用途也很广泛。在数字集成电路集成度越来越高的情况下，开发数字系统的实用方法和用来实现这些方法的工具已经发生了变化。但是，在数字电子技术中作为理论基础的基本原理并没有改变，仍然需要基本单元电路的有关概念。因此，作为组合逻辑电路的分析与设计仍然要把重点放在基本的分析方法上。
本节的重点为：组合逻辑电路的分析方法和过程。对于重点内容，要以板书讲解为主，尽可能实际多举例题，讲习题课，以达到强化基本概念、基本原理的目的。难点为：写出输出函数的表达式。对于难点内容，要以板书和多媒体相结合来讲解，便于学员理解，同时要通过多举例题，讲习题课、适当增加学员习题量等来巩固。
2、经验提醒
（1）为了增加学员的学习兴趣，教学中内容应减少理论部分增加应用实例，特别是日常生活中常用的实例。在教学方法的处理上精讲多练，运用仿真工具演示电路的工作过程提高学习的趣味性、可视性和效能性；加强课堂练习提高课堂的利用率。学员在学习过程中应注意学习方法，提高自信心、主动性，多看书，多做练习、多做实验。（2）组合逻辑电路的分析和设计应与实践结合起来，。特别是本课程的重点内容及难点内容。通过实验使学员加深理论知识的理解.通过实验还能锻炼学员的动手能力。（3）总结归纳，在教学中要善于归纳，上完课应对所讲内容进行归纳总结，使学员更加明确本次课的重点及难点内容。（4）利用现代多媒体手段将一些不好理解的内容形象地显示出来。（5）要求学员通过做大量习题，掌握理论知识。
二、课程目标设计
1、总体目标
通过本课程的学习，熟悉组合逻辑电路的基本知识和基本分析方法；感受实验在学习过程中的作用；形成一定的分析和解决简单实际问题的能力。为后续的学习和岗位任职的需要打下一定的基础。
2、课程目标
依据课程标准并结合本教学班的情况，确定各单元（章节）教学目标如下：
（1）知识与技能。①说出组合逻辑电路的概念。②总结出组合逻辑电路的特点，归纳分析方法。③会写输出函数的表达式。（2）过程与方法。①复习简单的逻辑猛地符号和表达式。②概述组合逻辑电路的概念。③总结组合逻辑电路的特点。④介绍关于组合逻辑电路的实际应用，引导学员了解科学前沿。⑤通过Multisim2001仿真软件演示一些简单的组合逻辑电路的工作过程，感受仿真软件的基本使用方法。
3、情感态度价值观
养成独立思考、刻苦钻研、不断学习、善于质疑等良好习惯；形成严谨求实、一丝不苟的优良作风。
三、教学策略
1、整合教学内容，增大课堂信息量
随着科学技术突飞猛进的发展，新理论、新技术、新成果的不断涌现，教学内容在不断增加，使原教学课时数相对减少，要保证有线通信专业对《数字电子技术》课程的教学要求，就必须在课程体系、教学内容和教学方法上加以改进，提高教学起点，增大课堂信息量，不断提高课堂教学质量，在有限的学时内实现加强基础、强化应用、拓宽专业知识面的目标。
（1）根据课程标准精选教学内容。根据《数字电子技术》课程的课程标准要求和学时，精选教材中的教学内容，组合逻辑电路及其应用应作为主要讲授内容，同时适当介绍扩大知识面的内容和学科前沿发展的趋势，并融入一些具有工程实践应用的实例。 （2）根据学员的实际情况及课程标准，确定每节课的内容。主要讲述基本概念、基本的分析方法等，同时适当扩大知识面并融入一些具有工程实践应用的实例；并通过课堂练习、课后作业加深对所学知识的理解。（3）理论与实验相结合，通过实验使学员加深理论知识的理解同时锻炼学员的动手能力。（4）组织课堂讨论，激发学员的学习兴趣；了解学员学习过程中的疑难问题并及时讲解，促进教学互动。（5）板书与现代化教学手段相结合。根据教学内容采用板书与多媒体技术相结合的教学方法。对于重难点知识可以采用板书具体讲解，再结合多媒体技术讲解，使用现代化教学手段能够将抽象的内容形象化、直观化，提高学员的学习兴趣和效率，便于学员理解。（6）鼓励学员树立自信心。对于士官学员，部分学员基础差，胆子小，不善于参与课堂交际。教员应对这类学员暗含期望，多给他们一次表现的机会，及时表扬、肯定与鼓励，来激发他们学习的兴趣。（7）帮助学员，充分利用课余时间进行辅导。及时了解学员在学习本科程时遇到的问题，利用课余时间加强对辅导。鼓励学员互相帮助，通过“小老师”推动学员进步。
2、改革教学方法，注重素质教育
目前在高等教育中还存在着偏重理论学习忽视实践能力培养的现象。不少学员处于被动学习的状态，缺乏主动性和创新精神，教员教得很辛苦，但教学效果却不理想。原因是课堂教学中强调了教员的主导作用，而学员的主体作用却未能体现。因此要把学员培养成具有创新精神和较强实践能力的高素质人才，必须改革教学方法，注重素质教育和学习能力的培养。
（1）探索课堂教学方法。课堂教学方法应贯彻由简到繁、循序渐进、深入浅出的原则，并给学生留下思考的空间。在应用知识解题方面，一般是学生最薄弱的环节，如组合逻辑电路的分析和时序逻辑电路的分析，学生普遍感到不易掌握，教学时应通过典型例题着重讲清分析思路，让学员学会举一反三，能够触类旁通。引导学员开展积极的发散思维活动，师生之间应不断进行情感交流，保持心灵上的沟通，营造平等、宽松的课堂氛围，使学员处于心情舒畅、思维活跃的心理状态，从而获得较好的教学效果。（2）采用启发式教学，启迪学生思维。人的思维活动常常是由提出问题开始的，因此，在教学过程中，教员要善于提出问题，引导和鼓励学员去发现疑难，提出问题，启迪学生去积极思考，寻求答案。教员要善于启发引导，调动学员的学习主动性，重视培养学生的参与意识。在讲课中应注意体现本课程的工程性和实践性，结合教学内容介绍一些生活中的典型应用实例，，从而激发学员对本课程产生浓厚的学习兴趣。（3）运用讨论式教学，培养分析能力。在教学进行了一到几个单元后，可以组织学生开展课堂讨论，以提高学员学习的主动性。由教员和学生共同分析作业中出现的概念问题，鼓励学生积极参与，充分发表自己的观点，大胆地提出疑问。并通过精选的典型例题，引导学员积极思维，引导学员寻求解题思路，最后由教员讲评。通过课堂讨论既可启迪学员的智慧，又能提高学员的分析问题的能力。（4）培养自学能力，教学与自学相结合。随着教育改革的深入，应注重对学员自学能力的培养。在教学中注意引导学员逐步掌握正确的自学方法，尝试根据学员的基础，有选择地将少量的章节内容安排学员自学。（5）应用现代化教学手段。计算机网络和多媒体技术，目前已成为改善军队院校教育条件，提高教学水平的重要手段。为了增强课堂的信息量，提高教学效率和教学质量，利用多媒体技术将部分章节（或全部）的重点、难点的教学内容采用仿真演示，形成图、文、声并茂的，可进行视、听、触等多种教学方式的形象化教学。它可以将抽象的内容形象化、直观化。它不仅能提高学员的学习兴趣和效率，及时向学员反馈学习的信息，也可以帮助教员客观科学地考核学员，改进教学工作。
【参考文献】
[1] 薛延侠，郑燕.“数字电子技术”课程教学改革的探讨[J].西安邮电学院学报，2006.1.119.
[2] 刘银萍，陈惠珊.“数字电子技术”实验教学改革的探讨[J].实验室研究与探索，2006.1.981-983.
关键词：双套母差保护；设计；调试；母联充电；母联过流
中图分类号：TM773文献标识码： A 文章编号：
1、引言
由于目前220kV线路保护二次回路设计不统一，给安装、调试、运行、维护带来了许多不便，也容易给继电保护设备的运行带来隐患，为了解决此问题，国网公司最近下发颁布了《线路保护及辅助装置标准化设计规范》和《国网公司输变电工程通用设计》(220kV变电站二次系统部分)。作者在认真学习上述两个标准之后，认为简化二次回路和统一二次回路设计是目前的重要工作。因此，作者对目前的二次回路进行了分析和改进。
2、220kV线路保护二次回路现状
近些年，随着微机保护技术的成熟以及在电网中的全面应用大大提高了继电保护安装、调试、维护人员的工作效率，但是由于电力行业在微机保护方面的相关规定和标准出台滞后，造成了目前各厂家的继电保护产品设计没有统一的标准。国网公司为了扭转这一局面，在最近几年相继出台了一些技术规范和标准。力求使各厂家生产的产品能够统一。其中包括2007年12月颁布执行的《国家电网公司输变电工程通用设计》、《线路保护及辅助装置标准化设计规范》等。国家电网公司对继电保护专业的核心要求是“强化主保护，简化后备保护和二次回路”。为了满足此项要求,我们还需要做许多工作。因此首先对220kV线路保护二次回路现状进行了解。
2．1 交流回路
交流回路包括交流电流回路、交流电压回路、照明回路和加热回路。
2．1．1 交流电流回路
220kV CT二次一般是6个绕组，其中4组用于保护，l组用于测量，l组用于计量。以图1为例，编号为411的1组用于线路保护l屏和故障录波器，编号为421的1组用于线路保护Il屏和断路器失灵保护，编号为431的1组用于220kV母线保护l屏，编号为441的l组用于220kV母线保护lI屏，编号为451的l组用于测量，编号为431的1组用于电能计量。
2．1．2交流电压回路
220kV系统一般都为双母线接线，线路单元可以在两条母线间任意切换，因此220kV线路保护需要将两组母线的二次交流电压都接入，如图2所示。
2．1．3照明和加热回路
由于线路保护屏在户内，保护屏内只用照明设施没有加热设施。
2．2控制回路
目前，由于各种组屏方式较多且比较混乱，因此控制回路的设计也各不相同，下面就举几个常见回路进行说明。
2．2．1电源回路
220kV断路器是双跳闸线圈的，有两组控制电源，早期的设计人员为了保证当一组控制电源消失后断路器仍能可靠分闸，在两组控制电源间设计了相互切换的功能，如图3。
2．2．2防跳回路
目前断路器操作箱和断路器本体都设计有防跳继电器，但是这两个防跳继电器不能同时工作，如果同时投入工作，会造成断路器位置监视功能混乱，影响运行维护人员操作检修。因此，断路器正常运行时只投入其中一个防跳继电器。
2．2．3沟通三跳回路
目前的沟通三跳功能实现有两种，一种是通过软件进行逻辑判断实现，另一种通过接通永跳继电器TJQ实现，不同组屏方式下的沟通三跳回路设计不同，如图4(a)、图4(b)所示。
同一功能的回路设计多样化，给安装、调试、运行维护都带来了许多不便,也容易在施工、检修中给设备留下隐患。因此,统一沟通三跳回路设计是刻不容缓的。
2．2．4失灵启动回路
失灵启动回路与沟通三跳回路存在相同之处．也是能够通过软件进行逻辑判断实现和通过接点串联实现，如图5(a)、图5(b)所示。
2．3开入功能
保护装置的开入主要包括保护功能压板、断路器位置、纵联保护通道状况以及切换把手、复归、打印按钮等。
目前，不同保护厂家的保护功能压板设置各不相同。以南瑞继保公司的RCS900系列保护装置为例，仅设置有主保护压板、距离保护压板、零序保护压板和闭锁重合闸压板。而南自厂的PSL603光纤差动保护装置设置有差动总投入压板、分相差动保护压板、零序差动保护压板、相间距离保护压板、接地距离保护压板、零序I段保护压板、零序其它段保护压板和闭锁重合闸压板。可见，保护功能配置相同但生产厂家不同的保护装置所设计的功能压板区别非常大，这就造成在开入量的设计上区别很大。
3、220kV线路保护二次回路存在的问题
3．1交流回路
3．1．1 交流电流回路
目前，交流电流回路设计基本上比较规范，存在的问题是由于220kV线路是两套主保护、两套后备保护的配置。其中一套的快速保护采用光纤分相差动保护，另一套采用闭锁式或允许式纵联保护。光纤分相差动保护对故障的反应更加灵敏．也更可靠。在实际工程中，设计人员基本上不考虑光纤分相差动保护与闭锁式(允许式)纵联保护怎样取用CT二次绕组，选用具有很大的随机性。
3．1．2交流电压回路
目前，交流电压回路普遍存在两个问题。一是220kV线路保护的两套保护装置所采用的交流电压都是来自PT的同一个二次绕组，不符合反措要求和设计规范。二是电压切换装置选用没有统一的标准，有些切换装置在倒闸操作后容易造成PT二次长期并列,严重威胁电网安全。
3．2控制回路
控制回路存在的问题比较多，有一些还存在一定的争论。主要表现在以下几点：
3．2．1电源回路
根据反措要求，220kV线路的两套保护装置之间、两套操作回路之间不应有任何电的联系。可是目前各厂家设计的操作箱中两组控制电源均有相互切换的功能。
3．2．2防跳回路
目前断路器操作箱和断路器本体都设计有防跳继电器，如果两个防跳继电器同时投入工作，会造成断路器位置监视功能混乱，影响运行维护人员操作检修。
3．2．3分合闸闭锁回路
目前常用的断路器按机构分有弹簧机构、液压机构和电磁机构。按灭弧方式分有SF6断路器、真空断路器和少油断路器。其中弹簧机构断路器、液压机构断路器和SF6断路器均有闭锁功能，而且闭锁功能的实现方式各不相同，有的在机构内实现，有的在操作箱实现，给设计、运行、维护都带来了麻烦。
3．2．4沟通三跳回路
目前，220kV线路保护一般只设计一套重合闸功能，两套保护同时启动一套重合闸，当重合闸停用时，重合闸装置同时沟通两套保护三跳回路。沟通三跳功能实现有的是通过软件进行逻辑判断实现．有的是通过接通永跳继电器TJQ实现，回路设计不统一，给安装、调试、运行维护都带来了许多不便，也容易在施工、检修中给设备留下隐患。
3．2．5失灵回路
失灵回路的设计也比较混乱，有使用串联接点的，也有使用逻辑判断的，同样给安装、调试、运行维护都带来了许多不便。
3．3开入回路
目前，各厂家在开入量设计上非常随意，没有统一的标准。完全根据自己的习惯进行设计，造成有的保护装置开人量过多，导致保护屏内二次线过多、维护人员查线复杂、运行人员操作不便。
4、根据220kV线路保护标准设计规范提出改进意见
4．1交流回路
4．1．1交流电流回路
根据国家电网公司颁布的最新《线路保护及辅助装置标准化设计规范》，双母线接线的断路器失灵保护，宜采用母线保护中的失灵电流判别功能。因此图1中的CT二次编号为421的绕组仅用于线路保护Ⅱ屏。由于光纤分相差动保护对故障反应更加迅速，因此，将保护范围更大的41l绕组用于光纤分相差动保护。
4．1．2交流电压回路
根据反措和标准设计规范，进入两套保护装置的交流电压应取自PT二次不同绕组，且有两套切换装置，一套切换装置在操作箱内，另一套切换装置在其中的一套保护装置内部。为了保证二次切换可靠且能够避免PT二次长期并列现象，建议采用如图6所示的原理接线。
4．2控制回路
4．2．1电源回硌
根据标准设计规范，220kV线路保护两组操作电源的直流空气开关应设在操作箱所在屏(柜)内，不设置两组操作电源切换回路。因此，为了规范设计，满足设计要求，将图3中的电压转换功能删去。即拆除lYJJ继电器。
4．2．2操作回路(包括防跳、闭锁回路)
根据标准设计规范，220kV线路保护操作箱的防跳功能应方便取消，断路器三相不一致保护，断路器防跳、跳合闸压力闭锁等功能应由断路器本体机构箱实现。具体原理接线如图7所示。
4．2．3沟通三跳回路
根据国网公司最新输变电工程通用设计要求和标准设计规范要求：220kV线路两套保护装置每一套线路保护均应含重合闸功能，不采用两套重合闸相互启动和相互闭锁方式；对于含有重合闸功能的线路保护装置，设置“停用重合闸”压板．“停用重合闸”压板投入时，闭锁重合闸、任何故障均三相跳闸。因此。沟通三跳功能完全可以通过保护装置内部进行逻辑判断实现，所有的外部接线都可以省略。
4．2．3失灵回路
根据国网公司最新输变电工程通用设计要求和标准设计规范要求：线路保护应提供直接启动失灵保护的跳闸接点，启动微机型母线保护装置中的断路器失灵保护；双母接线的断路器失灵保护，宜采用母线保护中的失灵电流判别功能。因此，线路保护仅给母线保护提供一对保护动作接点，如图8所示。
4．3开入回路
根据国网公司最新输变电工程通用设计要求和标准设计规范要求：压板、转换开关和按钮设置应遵循“保留必需，适当精简”的原则。对保护功能压板的具体要求是：保护总体功能的投，退，如“纵联保护”，可由运行人员就地投，退硬压板实现；运行中基本不变的保护分项功能，如“距离保护”采用“控制字”投，退。对重合闸方式的具体要求：取消“重合闸方式转换开关”，自动重合闸仅设置“停用重合闸”功能压板，重合闸方式通过控制字实现，其定义见表l。
根据上述要求，220kV线路保护的开入量大大减少，保护功能压板仅有“主保护压板、距离保护压板和零序保护压板”三个，减化了二次接线，减少了运行人员操作，从根本上杜绝了由于运行人员误操作引起的保护拒动现象，也有效地提高了运行人员的操作效率。
5、结束语
本文通过作者对国网公司最新颁布的《线路保护及辅助装置标准化设计规范》和《国网公司输变电工程通用设计》(220kV变电站二次系统部分)的理解并结合多年的继电保护现场安装、调试、检修经验，对220kV线路保护二次回路中存在的问题进行了梳理，并根据标准化设计规范对存在问题的回路结合现场实际进行了改进，希望本文能够对从事电力系统继电保护设计、安装、调试、维护的相关人员提供一些参考和帮助。
参考文献：
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[3]国家电网公司输变电工程通用设计．220kV变电站二次系统部分．2007．12．
[4]宋继成．220--500kV变电所二次接线设计．中国电力出版社．
建设改造迫切度等级及优先级的概念在对配电网现状问题进行透彻分析的基础上，本文以110（35）kV变电站和10kV线路两个层级为基本立足点，定义各自的主要问题类型及建设改造迫切度等级和优先级的概念。建设改造迫切度等级是结合110（35）kV变电站或10kV线路问题类别及严重程度来定义的，本文定义的迫切度等级分为1~5级，迫切度等级越靠前表示变电站或线路各自存在的问题类别越多、性质越严重。例如，当迫切度等级为1级时表示该类变电站或10kV线路存在的问题最严重。建设改造优先级是指该类建设和改造项目实施的必要性和紧急程度，本文定义的迫切度优先级为顺序优选型，即建设改造迫切度等级越靠前的问题变电站或者10kV线路享有优先的实施建设和改造权利。110（35）kV变电站作为中低压配电网的电源点，其整体的建设改造迫切度优先级应高于10kV线路。配电网建设改造迫切度等级的计算（1）式中，Si的取值范围为[0,1]，代表第i号变电站或线路的问题严重程度，取值为1时表示该变电站或线路的问题最严重；Wj代表第i号变电站或线路的第Zj类问题存在与否，Wj为Y时代表该类问题存在，值取1，否则该类问题不存在，值取0；aj代表第Zj类问题的权重，且a1+a2++am=1，本次研究结合所在地区配电网发展的实际水平，采用德尔菲法[6]来确定变电站或线路存在的各类问题重要性程度的权重。根据式（1）计算变电站或线路的问题严重程度值，并按Si值从大到小的顺序对该地区110（35）kV变电站或10kV线路进行排序，并用n行2列的矩阵Gn×2来存储信息，若该地区变电站或线路的迫切度等级定义为t级，则第i号变电站或线路的迫切度等级Pi的量化表达式如下：（式略）式中，Gn×2的第2列为该地区110（35）kV变电站或10kV线路的Si值，第1列为对应每一Si值的变电站或线路的编号。G(1,2)为该地区110（35）kV变电站或10kV线路Si的最大值，G(n,2)为变电站或线路Si的最小值。结合式（1）~（3），针对110（35）kV变电站和10kV线路所出现的不同问题的严重程度分别给出了该地区变电站和线路的建设改造迫切度等级区间的一般形式。
基于阶梯投资策略的配电网建设改造方案
由于配电网建设改造的效果最终还是需要落实在资金的投入上，因此，确保资金的合理安排及有效利用也是配电网建设改造过程中的关键环节。本文在对地区配电网110（35）kV变电站和10kV线路建设改造迫切度等级及建设改造方案分析的基础上，提出了基于不同建设改造方案下的阶梯投资策略。配电网建设改造组合方案的制定根据110（35）kV变电站和10kV线路建设改造迫切度等级的不同，可将整个地区的配电网建设改造方案分为三类，即为组合方案1~组合方案3，。(1)组合方案1即为问题最严重且实施建设改造优先级最高的一类建设改造方案集合。(2)组合方案2即为问题较为严重且实施建设改造优先级较高的一类建设改造方案集合。(3)组合方案3即为问题严重程度一般，且实施建设改造优先级较低的建设改造方案集合。本次研究将迫切度等级为1级、2级的变电站集合和迫切度等级为1级的线路集合并归为组合方案1，将迫切度等级为3级的变电站集合和迫切度等级为2级、3级的线路集合并归为组合方案2，将迫切度等级为4级的变电站集合和迫切度等级为4级、5级的线路集合并归为组合方案3。不同建设改造组合方案下阶梯投资区间估算本文在配电网建设改造组合方案1~3确定的基础上，提出了高、中、低三种建设改造投资方案，最终形成了地区配电网建设改造方案的阶梯投资区间，使得有限的配电网建设改造投资能发挥其最大的效益。详细估算方法如式（4）~（6）所示：（式略）设某地区配电网建设改造资金投入为M万元，结合阶梯投资区间的估算结果，可以得出如下分析结论：(1)当M∈[0,sum1]的区间时，建议采用低投资方案，重点解决组合方案1中变电站和线路存在的问题。(2)当M∈[sum1,sum2]的区间时，建议采用中投资方案，重点解决组合方案1和组合方案2中变电站和线路存在的问题。(3)当M∈[sum2,sum3]的区间时，建议采用高投资方案，重点解决组合方案1~3中变电站和线路存在的问题。
实际案例分析
本文以我国中部某城市的部分工业旅游区为典型区展开实际案例分析，以验证本文方法的合理性和有效性。典型区配电网基本规模分析该类地区共有4座110kV变电站，分别为龙潭站、堽头站、银河站和克井站；3座35kV变电站，分别为原昌站、坡头站和轵城站；区块内共有28条10kV主干线路。配电网现状问题分析及迫切度等级确定(1)110（35）kV变电站迫切度等级确定该地区7座变电站中存在问题的变电站有3座，其中，建设改造迫切度等级为2级的变电站为坡头站；迫切度等级为3级的变电站为轵城站；迫切度等级为4级的变电站为银河站。(2)10kV主干线路的迫切度等级的确定该地区28条10kV主干线路均不同程度的存在各类问题，其中，建设改造迫切度等级为1级的线路有1条；迫切度等级为2级的线路有4条；迫切度等级为4级的线路有10条；迫切度等级为5级的线路有13条。组合方案的确定及建设改造工程量的统计结合变电站和线路建设改造迫切度等级，该地区110（35）kV变电站和10kV线路的建设改造组合方案共有3类，形成了组合方案1、组合方案2和组合方案3，结合该地区具体的建设改造方案，各组合方案的总工程量统计结果如下：(1)组合方案1——共计新增分段开关1台，新增LGJ-185架空线路2.5km，变电站扩建主变容量16.3MVA。(2)组合方案2——共计新增分段开关2台，新增联络开关2台，新建JKLGYJ-185架空线路长度1.46km，新增YJV-3×400电缆线路长度0.1km，变电站扩建主变容量20MVA。(3)组合方案3——共计新增分段开关4台，新增联络开关15台，新建JKLGYJ-185架空线路长度10.19km，新增YJV-3×400电缆线路长度0.75km，变电站新增主变容量50MVA。典型区配电网建设改造阶梯投资区间估算为了进一步提高建设改造方案投资估算结果的参考价值，本文结合国家电网“十二五”滚动修编中的相关综合造价，制定了地区配电网建设改造工程相关的单价预算清单，在此基础上计算出该地区配电网建设改造的阶梯投资区间。（1）当该地区配电网建设改造投资落在区间[0，628]万元时，可采用低投资方案，重点解决组合方案1中变电站和线路存在的问题。（2）当该地区配电网建设改造投资落在区间[628，1406]万元时，可采用中投资方案，解决组合方案1和组合方案2中变电站和线路存在的问题。（3）当该地区配电网建设改造投资落在区间[1406，3116]万元时，可采用高投资方案，解决组合方案1~3中变电站和线路存在的问题。
结论
本文在透彻分析配电网现状问题的基础上，总结归纳110（35）kV变电站和10kV线路主要存在的问题类型，并结合问题严重程度提出建设改造迫切度等级和优先级的概念及相应的计算方法，在此基础上，得出了不同组合方案下的高、中、低阶梯投资区间，保证了方案高效、合理、有序的实施，使得有限的配电网建设改造投资能发挥其最大的效益，相关研究成果将对实现配电网建设和改造工作的精益化管理提供重要的借鉴意义。
作者：金翼 陈垒 朱明嘉 刘洪 韩俊 刘阳 单位：智能电网教育部重点实验室(天津大学)
统一思想，明确目的．大学生电子设计大赛是考察在校大学生专业知识和实践能力的综合型竞赛，是检验学校办学能力的高水平竞赛，同时保证参加大赛的同学能通过大赛这一平台有所收获和进步．指导教师通过比赛积累经验，实现比赛在学校可持续发展，实现以赛促管、以赛促学、以赛促改．大学生电子设计大赛组织过程分为宣传、动员、报名、培训、筛选、强化、竞赛、奖励、总结．赛前准备包含赛前组织和赛前培训．赛前组织包括人员组织、经费组织、设备与耗材组织，赛前培训是对学生进行针对性高强度模拟训练，赛前精心准备是竞赛成功的一半，让每位指导老师和同学在电子设计大赛赛前、赛中、赛后都有所收获．
1．1赛前组织
1．1．1人员组织
学校成立电子设计大赛领导小组．全国大学生电子设计大赛和省级大学生电子设计大赛轮流隔年举办一次，领导小组是常设机构，负责电子竞赛组织、管理、协调工作．电子设计大赛领导小组组长一般由主管教学副校长担任，副组长由学校教务处处长和相关学院院长共同担任，办公室主任由电工电子实验中心主任担任．办公室设在实验中心，负责处理大赛日常事务，成员包括指导老师、实验员及大赛相关人员．电子设计大赛领导小组负责相关部门协调和政策落实和大赛组织和宣传，负责参赛人员管理和学生培训，负责赛前制定培训计划收集整理资料，负责与赛区组委会联络和大赛专项经费管理，负责元器件及耗材保管、整理、发放、采购和培训竞赛场地管理，负责培训竞赛后勤保障和学生管理．电子设计大赛人员组织包含指导老师的组织和参赛学生的组织．强有力的指导老师团队是电子设计大赛取得成功的基础．随着技术发展，大赛专业知识广度和深度不断加深，题目更加新颖贴近生活，包括电源类、控制类、无线收发类、仪器仪表类等，涉及电子技术各领域和方向，对指导老师综合素质和能力提出了更高要求．指导老师需要精通模拟电路、数字电路、高频电路，精通51单片机和熟练运用CORTEX－M3嵌入式系统、CPLD/FPGA可编程逻辑器件、DSP数字信号处理器等，有丰富的实践经验和极强攻坚能力．根据实际情况组建指导教师团队给学生全方位的指导，充分发挥指导教师特长，取长补短，相互学习，共同提高．参赛学生是大赛主体，加强宣传，吸引更多同学参与大赛，同时保证竞赛质量和水平，经选拔合格或任课老师推荐才能正式报名参加．大三学生知识结构和实践能力强于大二学生，选拔时以大三学生为主，适当选取大一、大二学生保证后备力量，组成电子设计大赛参赛队伍．通过学校宣传、领导小组动员、辅导员讲解，使参赛同学全方位多角度了解电子设计大赛的意义和目的，对就业和成长的帮助，调动学生竞赛积极性和热情．
1．1．2经费组织
电子设计大赛经费使用原则:预算清晰，专人管理，专款专用，合理使用，厉行节约，保证运行，各项开支在预算内完成，开支与预算一致．经费来源分为学校年度预算和校内部门筹集，用于电子设计大赛基本运行和指导教师课时补贴．基本运行包含报名费、管理费、电子元器件及耗材采购添置、竞赛期间餐费及其他杂费．指导教师课时补贴指赛前教师培训课时费、竞赛期间指导教师补贴．电子设计大赛经费不含教师差旅费和竞赛获奖后学校发放奖金，赛后根据政策另行拨付．
1．1．3设备耗材组织
大赛设备耗材专人管理，专人采购，统一分配;培训类耗材由培训教师提出计划统一采购．
1．2赛前培训
电子设计大赛赛前对学生的培训是学生提高的重要过程，很大程度上决定了比赛成绩．指导教师根据历年竞赛内容和特点，结合自身特长制定详尽的培训计划和方案．大三学生知识相对全面但实践应用能力较差，没有系统设计经验，知识点孤立难以将各门课程融合到一起，大二学生专业知识结构不完整，认识片面，指导教师根据学生实际情况因材施教做出个性化的培训与辅导，使培训效果达到最佳．培训分两个阶段，时间5～6周．第一阶段(3～4周)采用集中授课与实际制作相结合的方式，第二阶段(2～3周)采用三人一组半开放自主设计的方式．第一阶段包含模块电路分析、设计、调试、制作、参数测试、基本仪器使用及报告书写，对往届比赛重点模块电路进行有针对性专题讲座和制作．重点模块有电源电路、信号调理与运算放大电路、传感器与微弱信号检测电路、信号发生电路、通信电路、电压与频率转换电路，单片机最小系统、人机交互电路、数据采集电路、驱动电路等．设计报告内容包含:摘要，叙述核心技术、实现方法与发挥;系统设计方案，叙述方案选择、系统结构、实现方法;硬件电路设计与分析计算，叙述硬件电路原理、计算、设计与实现;软件设计，叙述软件程序思想、流程、实现方法与重点程序;测试结果与分析，叙述测试仪器、测试方法、测试结果、数据分析;总结与展望，总结题目完成情况、存在问题与展望．第一阶段使学生掌握基本模块电路，对电子设计进一步了解和认识，优秀学生脱颖而出，具备冲击奖项实力，指导教师对这部分同学重点关注，毕竟指导教师精力有限，不可能面面俱到，拿奖也是一项重要而艰巨的任务．第二阶段3人一队进行赛前热身．按比赛要求自主设计，锻炼同学们系统分析与设计、制作与调试、参数测试、团队分工与协作能力．每队由3名同学自愿组合组成，1名同学负责软件编写，1名同学负责硬件制作，1名同学负责报告撰写．实际比赛有很多突况需共同讨论、共同参与、共同应对、共同解决．指导教师可以根据以往题目特点、内容和难度自行设计题目，也可以直接选择往届典型题目．第二阶段模拟训练展现了各队水平和能力，也暴露存在的问题，指导教师根据每队实际情况进行赛前辅导．
2赛期管理
比赛前2～3周，组委会发放比赛用单片机和开发平台，提前让参赛队熟悉开发环境，赛前一周公布本届电子设计大赛可能用到的元器件测试仪器，指导教师团队根据公布元器件清单估计本届比赛可能出现的题目和用到的模块．指导教师对器件进行分析，列出本次大赛可能用到元器件详细清单，交器件管理员清理汇总，不足部分立即准备和采购，采购应确保器件质量，排除器件质量问题带来的故障和干扰．参赛队在赛前调试好竞赛场地仪器设备，查看元器件清单结合指导老师分析对新器件和不熟悉模块进行搭建与调试，为比赛正式开始做好准备．4天3夜的电子设计大赛开始后，第一天选择题目、设计方案与具体电路，领取元器件及耗材，不足的元器件汇总立即采购．第二天完成软件编写和部分模块电路搭建．第三天完成软硬件联调和报告书写．第四天完成参数测试，有能力的同学完成发挥部分设计．
3赛后总结
关键词： 数字电路设计； 现代数字逻辑设计方法； 数字电路教学改革； 转换真值表
中图分类号： TN710?34； TP302.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）07?0139?04
Research on the necessity of change in digital circuit design method
based on CPLD/FPGA
SHUANG Kai， CAI Hong?ming
（College of Geophysics and Information Engineering， China University of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China）
Abstract： Application of large?scale programmable logic device has brought great flexibility to digital system design. The introduction of standard logic design language has greatly changed the design method， design process and design concepts of traditional digital system. As a technical foundation teaching link in the university， it should be adjusted accordingly. The problems of the traditional design approach and advantages of modern logic design methods are compared through the combinational logic and sequential logic design examples. By contrast， the modern logic design techniques has replaced the traditional method of digital system design and become the mainstream of the digital circuit design， which is the inevitable trend of development of electronic technology.
Keyword： digital circuit design； modern digital logic design method； digital circuit teaching reform； conversion truth table
0 引 言
20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较为先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过类似软件编程的方式对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使硬件设计像软件设计那样方便快捷。这就极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了数字逻辑电路设计技术的迅速发展。本文通过几个设计实例的对比阐述一个道理，随着数字电路中先进设计方法的引入，高等学校中数字电子技术的教学内容必须随之得到改善，使之与技术进步相互适应[1?3]。
数字电路根据逻辑功能的特点，分成两类，一类叫组合逻辑电路（简称组合电路），另一类是时序逻辑电路（简称时序电路）。组合逻辑电路在逻辑功能上的特点是任意时刻的输出仅取决于该时刻的输入，与电路初态无关。而时序逻辑电路任意时刻的输出不仅取决于当时的输入信号，还取决于电路原来的状态。本文从这两方面就传统手工设计存在的问题进行讨论。
1 组合逻辑设计中传统设计方法与可编程逻辑
设计方法的对比
列真值表，逻辑关系式，逻辑化简是组合逻辑设计的几个重要步骤。但这一经典的组合逻辑设计步骤并不总是必须的。实现特定逻辑功能的逻辑电路也是多种多样的。为了使逻辑电路的设计更简洁，通过各种方法对逻辑表达式进行化简是必要的。组合电路设计就是用最简单的逻辑电路实现给定逻辑表达式。在满足逻辑功能和技术要求基础上，力求电路简单、可靠。实现组合逻辑函数可采用基本门电路，也可采用中、大规模集成电路。
例1：三个人表决一件事情，结果按“少数服从多数”的原则决定这一逻辑问题[4?5]。在“三人表决”问题中，将三个人的意见分别设置为逻辑变量A、B、C，只能有同意或不同意两种意见。将表决结果设置为逻辑函数F，结果也只有“通过”与“不通过”两种情况。
传统的逻辑设计需要由下面的4个步骤完成：
（1） 列真值表
对于逻辑变量A、B、C，设同意为逻辑1，不同意为逻辑0。对于逻辑函数F，设表决通过为逻辑1，不通过为逻辑0。
根据“少数服从多数”的原则，将输入变量不同取值组合与函数值间的对应关系列成表，得到函数的真值表如表1所示。
表1 例1的真值表（共有23=8行）
[A＼&B＼&C＼&F＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&1＼&0＼&0＼&1＼&0＼&0＼&0＼&1＼&1＼&1＼&1＼&0＼&0＼&0＼&1＼&0＼&1＼&1＼&1＼&1＼&0＼&1＼&1＼&1＼&1＼&1＼&]
（2） 列逻辑函数表达式
三人表决器的逻辑表达式为：
[F=ABC+ABC+ABC+ABC] （1）
设N为上式中的逻辑项数，这时，共有逻辑项[N=C23+C33=4]项。
（3） 逻辑化简
三人表决器的逻辑表达式可化简为：
[F=BC+AC+AB]
（4） 画出逻辑电路图如图1所示。
尽管上面的分析看上去没有错误，但上例中的“三人表决器”设计给学生一个误导，好像按照上述的设计步骤就可以进行组合逻辑设计了。可以推导，若表决人数用[p]来表示，逻辑表达式的项数为[Np=k=p2+1pCkp，]其中[Ckp]为逻辑项的组合数。以[p=7]为例，这时表1中的表项为27=128项，式（1）中的逻辑项数N变为[N7=C47+C57+C67+C77=64]。
图1 例1的逻辑图
显然，随着表决者数量的增加，逻辑项数急剧增加，真值表不易绘制，逻辑公式无法手工书写，逻辑化简也非常困难。
多数表决器的逻辑公式由于过多的项数不易采用公式法化简。如果采用卡诺图化简法也会因输入变量过多而导致传统化简方法失效。
标准逻辑设计语言的出现给大规模逻辑设计带来了新的希望。硬件描述语言（HDL）的采用可以使设计者的精力集中于所设计的逻辑本身，不必过多的考虑如何实现这个逻辑以及需要用哪些定型的逻辑模块。这在以往中小规模集成电路逻辑设计与大规模可编程逻辑设计方法上产生了本质的差别。Verilog是一种以文本形式来描述数字系统硬件结构和行为的语言，用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能。在此，用Verilog设计一个“七人表决”逻辑，以考察采用现代逻辑设计方法较传统设计方法的优势。
在表决器的设计中，关键是对输入变量中为1的表决结果进行计数，如果把全部的逻辑状态列表分析，势必存在冗余的设计资源。根据多数表决的性质，考虑采用加法逻辑来统计表决结果，之后再判决加法器输出中1的个数即可实现该逻辑。Verilog设计如图2所示。
图2 七人表决的Verilog逻辑
在“七人表决”逻辑中，不再专注于每个逻辑变量状态的变化，只抓住关键问题多数表决有效，并用条件操作符“？”设计出所需的Verilog行为逻辑，剩下的实现问题交由计算机综合（synthesis）。可以看到，采用标准化的硬件描述语言，能有效地避开以往组合逻辑设计中逐一考察每个输入逻辑状态所带来的逻辑状态分析的爆炸，从而可以用较短的设计时间得到正确的逻辑输出。众所周知，加法器、比较器都是传统的组合逻辑教学内容，但以往的教学中由于采用手工分析方法，很难把这些不同的逻辑设计内容综合考虑进来。笔者认为，现代逻辑设计方法的引入将逐渐转化人们对传统逻辑设计中的关注点，势必引起逻辑设计教学方法的更新。有必要加大逻辑功能综合设计的内容，减少元器件级逻辑单元选型在教学中的比例。
2 时序逻辑设计中传统设计方法与现代可编程
逻辑设计方法的对比
数字电路的另一类设计内容是时序逻辑设计。时序逻辑设计分为同步与异步时序逻辑设计。一般地，同步时序逻辑设计的难度要高于异步时序逻辑。因此，也在时序逻辑电路设计上占有较多的学时。如果在教学改革中仅把可编程逻辑设计作为传统时序逻辑设计内容的补充，不但不能使学生体会到先进的计算机辅助逻辑设计所带来的便捷，还可能使学生按照传统的手工时序逻辑设计步骤去理解可编程时序逻辑，导致时序逻辑设计的复杂化，增加逻辑验证的成本。因此，有必要探讨传统设计方法与现代逻辑设计方法之间的差别。下面根据一个典型的时序逻辑设计来说明。
例2：试设计一个序列编码检测器[6?7]，当检测到输入信号出现110序列时，电路输出1，否则输出0。
这个序列编码检测器如果按照传统的时序设计步骤，将会异常繁琐：
（1） 由给定的逻辑功能建立原始状态图和原始状态表
从给定的逻辑功能可知，电路有一个输入信号A和一个输出信号Y，电路功能是对输入信号A的编码序列进行检测，一旦检测到信号A出现连续编码为110的序列时，输出为1，检测到其他编码序列时，输出为0。
设电路的初始状态为a，如图3中箭头所指。在此状态下，电路输出[Y=0，]这时可能的输入有[A=0]和[A=1]两种情况。当CP脉冲相应边沿到来时，若[A=0，]则是收到0，应保持在状态a不变；若[A=1，]则转向状态[b，]表示电路收到一个1。当在状态[b]时，若输入[A=0，]则表明连续输入编码为10，不是110，则应回到初始状态[a，]重新开始检测；若[A=1，]则进入状态[c，]表示已连续收到两个1。在状态[c]时，若A=0，表明已收到序列编码110，则输出[Y=1，]并进入状态d；若[A=1，]则收到的编码为111，应保持在状态[c]不变，看下一个编码输入是否为[A=0；]由于尚未收到最后的0，故输出仍为0。在状态[d，]若输入[A=0，]则应回到状态[a，]重新开始检测；若[A=1，]电路应转向状态[b，]表示在收到110之后又重新收到一个1，已进入下一轮检测；在[d]状态下，无论[A]为何值，输出[Y]均为0。根据上述分析，可以得出如图3所示的原始状态图和表2所示的原始状态表。
图3 例2的原始状态图
表2 例2的原始状态表
[现态
[（Sn）]＼&次态/输出[Sn+1Y]＼&现态
[（Sn）]＼&次态/输出[Sn+1Y]＼&[A=0]＼&[A=1]＼&[A=0]＼&[A=1]＼&[a]
[b]＼&[a/0]
[a/0]＼&[b/0]
[c/0]＼&[c]
[d]＼&[d1]
[a/0]＼&[c/0]
[b/0]＼&]
（2） 状态化简
观察表2现态栏中[a]和[d]两行可以看出，当[A=0]和[A=1]时，分别具有相同的次态[a、][b]及相同的输出0，因此，[a]和[d]是等价状态，可以合并。最后得到化简后的状态表，见表3。
表3 例2经化简的状态表
[现态
[（Sn）]＼&次态/输出[Sn+1Y]＼&现态
[（Sn）]＼&次态/输出[Sn+1Y]＼&[A=0]＼&[A=1]＼&[A=0]＼&[A=1]＼&[a]
[b]＼&[a/0]
[a/0]＼&[b/0]
[c/0]＼&[c]
＼&[a1]
＼&[c/0]
＼&]
（3） 状态分配
化简后的状态有三个，可以用2位二进制代码组合（00，01，10，11）中的任意三个代码表示，用两个触发器组成电路。观察表3，当输入信号A=1时，有abc的变化顺序，当A=0时，又存在ca的变化。综合两方面考虑，这里采取00011100的变化顺序，会使其中的组合电路相对简单。于是，令a=00，b=01，c=11，得到状态分配后的状态图，如图4所示。
图4 例2状态分配后的状态图
（4） 选择触发器类型
这里选用逻辑功能较强的JK触发器可以得到较简化的组合电路。
（5） 确定激励方程组和输出方程组
用JK触发器设计时序电路时，电路的激励方程需要间接导出。表4所示的JK触发器特性表提供了在不同现态和输入条件下所对应的次态。而在时序电路设计时，状态表已列出现态到次态的转换关系，希望推导出触发器的激励条件。所以需将特性表做适当变换，以给定的状态转换为条件，列出所需求的输入信号，称为激励表。根据表4建立的JK触发器激励表如表5所示。表中的[x]表示其逻辑值与该行的状态转换无关。
表4 JK触发器特性表
[[Qn]＼&[J]＼&[K]＼&[Qn+1]＼&[Qn]＼&[J]＼&[K]＼&[Qn+1]＼&0＼&0＼&0＼&0＼&1＼&0＼&0＼&1＼&0＼&0＼&1＼&0＼&1＼&0＼&1＼&0＼&0＼&1＼&0＼&1＼&1＼&1＼&0＼&1＼&0＼&1＼&1＼&1＼&1＼&1＼&1＼&0＼&]
表5 JK触发器的激励表
[[Qn]＼&[Qn+1]＼&[J]＼&[K]＼&[Qn]＼&[Qn+1]＼&[J]＼&[K]＼&0＼&0＼&0＼&[x]＼&1＼&0＼&[x]＼&1＼&0＼&1＼&1＼&[x]＼&1＼&1＼&[x]＼&0＼&]
根据图4和表5可以列出状态转换真值表及两个触发器所要求的激励信号，见表6。
表6 例2的状态转换真值表及激励信号
[[Qn1]＼&[Qn0]＼&[A]＼&[Qn+11]＼&[Qn+10]＼&[Y]＼& 激励信号＼&[J1]＼&[K1]＼&[J0]＼&[K0]＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&[x]＼&0＼&[x]＼&0＼&0＼&1＼&0＼&1＼&0＼&0＼&[x]＼&1＼&[x]＼&0＼&1＼&0＼&0＼&0＼&0＼&0＼&[x]＼&[x]＼&1＼&0＼&1＼&1＼&1＼&1＼&0＼&1＼&[x]＼&[x]＼&0＼&1＼&1＼&0＼&0＼&0＼&1＼&[x]＼&1＼&[x]＼&1＼&1＼&1＼&1＼&1＼&1＼&0＼&[x]＼&0＼&[x]＼&0＼&]
据此，分别画出两个触发器的输入J、K和电路输出Y的卡诺图，如图5所示。图中，不使用的状态均以无关项x填入。
图5 激励信号及输出信号的卡诺图
化简后得到激励方程组和输出方程。
[J1=Q0AK1=AJ0=AK0=AY=Q1A]
（6） 画出逻辑图，并检查自启动能力
根据激励方程组和输出方程画出逻辑图，如图6所示。
图6 例2的逻辑图
如果发现所设计的电路不能自启动，还应修改设计，直到能自启动为止。
由上面所列举的设计方法可以想见，继续增加检测位数会使逻辑设计更加复杂。
从上例可以看到，传统的时序逻辑设计方法尽管可以用来实现时序逻辑的设计，但设计步骤不仅复杂且需要设计者大费周折。可以预见，使用传统的时序逻辑设计方法设计复杂时序电路的难度很大。那么，采用什么方法才能使教学与现代逻辑设计技术接轨呢？
时序电路也被称为有限状态机（FSM）[6，8]，因为它们的功能行为可以用有限的状态个数来表示。在与可编程逻辑设计的对比分析中，这里采用FSM设计这个序列检测器。
根据图3的状态转换图（采用图4中化简的状态转换图亦可），给逻辑状态[a，b，c，d]分别分配以Gray编码（00，01，11，10）。之所以采用Gray编码方法，是可以省掉序列检测中的计数检测。序列检测器的FSM逻辑如图7所示。经仿真验证，符合设计要求。
图7 例2的FSM实现
从上面的对比可以看出，传统时序逻辑设计以人工逻辑分析为基础，现有逻辑器件为基础构件，历经基本逻辑方程转换及最后的状态验证等多个环节，设计周期长，仅适合设计小规模、时序简单的逻辑单元[9]；现代标准逻辑设计语言的设计方法以逻辑状态转换本身为要点，从逻辑门与触发器级逻辑设计上升的行为逻辑设计，更易于用来设计复杂的现代大规模时序逻辑。
3 结 论
现代逻辑设计方法的引入将逐渐转化人们对传统逻辑设计的关注点，大学基础教学中逻辑电路的设计方法也应随着这一技术的引入更新它的内容，改变传统逻辑设计占主导地位的现状。可以预见，大规模可编程逻辑器件的引入将会从根本上改变数字电子技术的教学模式。现代逻辑设计概念的引入，减少手工逻辑设计方法的比重、增加现代数字电路设计方法，注重基本概念的灵活运用都是数字电路教学改革的选题。广泛开展现代逻辑设计方法的研究，势必带来逻辑设计方法教学的变革。对于高等学校的教师来说，做好改革的思想准备已经是刻不容缓的了。
参考文献
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关键词：火电厂；电气一次；设计
Abstract: The design work is a key link of engineering construction, good design, overall duration, quality, investment and completed and put into production after the operation safety and reliability and economic benefits of production to the engineering construction, plays a decisive role in. This paper mainly introduces the 2 × 300MW total installed capacity of 600MW thermal power plant electrical part design.
Key words: thermal power plant; electrical primary design;
中图分类号：TU2
0前言
随着国家改革开放的不断深入和国民经济的蓬勃发展，为了提供充足、可靠和质量合格的电能，优化发展具有可靠性、灵活性和经济性的火电厂是当前一大任务。本文对某2×3OOMW凝气式区域性火力发电厂进行电气一次部分及厂用电高压部分的设计。在保证设计可靠性的前提下，还要兼顾经济性和灵活性，通过计算论证了该火电厂实际设计的合理性与经济性。
火电厂工程概况
本工程为大型凝气式火电厂，其容量2×3OOMW，最大单机容量为300MW，当电厂全部机组投入运行后，将占电力系统总容量约为10%，主要是供给地区用电。本电厂年利用小时数为6500h/a，本电厂具有110KV和220KV两级电压负荷，110KV电压等级有8回架空线路，承担一级负荷，最大输送功率为110MW、最大年利用小时数为4000h/a，说明对其可靠性有一定要求。220KV电压等级有10回架空线路，承担一级负荷，最大输送功率为500MW，最大年利用小时数为4500h/a，其可靠性要求较高。为保证检修出线断路器不致对该回路断电，采用带旁路母线接线形式。
电气一次设计
2.1主接线方案的选择
1）主接线的可靠性和经济性应综合考虑，在满意技术要求的前提下，尽可能投资省、占地面积少、电能损耗少、年费用（投资与运行）为最小。
110KV电压级：出线回路数8回且为Ⅰ级负荷，应采用双母或双母带旁路，以保证其供电的可靠性和灵活性。
220KV电压级：出线回路数10回且为Ⅰ级负荷，应采用双母带旁路一台半。
2）主接线方案
方案一：220KV采用双母带旁路，110KV采用双母线接线。可靠性较高。
各电压级接线方式灵活性都好；220KV电压级接线易于扩建；110KV电压级用联络变压器连接，灵活性好。无论是110KV，220KV设备比较多，投资较大，经济性差。
方案二：220KV采用双母带旁路，可靠性较高。110KV侧采用单母分段带旁路，对于出线回路数多带一级负荷来说，可靠性低。220KV电压级接线方式灵活。
采用单母线分段兼旁路接线，进出线不多时有足够多的灵活性。110KV设备相对少，投资较小，220KV设备都比较多，投资较大，经济性差。
本方案主要考虑主接线的可靠性和灵活性，经济性只做参考，所以通过比较，现确定第一方案为设计最终方案。
2.2主变压器的选择与计算
1）变压器的台数的确定
通常与系统具有强联系的大、中型发电厂和重要的变电所，在一种电压等级下，主变压器应不少于2台。本电厂有2台300MW发电机，且电厂和系统有较强的联系，故220KV电压等级接两台主变压器。
2）主变压器的型式的确定原则
选择主变压器型式时，应从相数、绕组数、绕组接线组别、冷却方式、调压方式等方面考虑，通常只考虑相数的绕组数以及绕组接线组别，在330KV及以下电力系统，一般都选用三相变压器。一般当最大机组容量为125MW及以下的发电厂多采用三绕组变压器，对于最大机组容量为300MW及以上的发电厂，通常采用双绕组变压器加联络变压器，当采用扩大单元接线时，应优先选用低压分裂绕组变压器，这样，可以大大限制短路电流。
本电厂接于330KV以下电力系统，变压器相数先三相，又最大机组容量为300MW，则选双绕组变压器加联络变。110KV及以上电压等级，变压器的接线方式为“YN”连接，选常规接线YN，d11常规接线。本电厂主接线采用三相双绕组主变压器和一络变压器。两台主变压器分别和两台发电机组组成单元接线。主变每台等级360MVW的三相双绕组升压变压器，型号SFP7-360000/220。联络变压器型号SSPSO-360000/220。厂用变压器需要两台，为限制短路电流，提高可靠性，两台变压器均采用低压分裂绕组变压器，联系变压器低压侧电压为15.75KV,具体型号SFF-31500/15.75。
3）厂用电接线形式的拟定
依据对厂用电接线的基本要求，在本次设计中，厂用电接线采用单母线分段的接线方式，分段采取“按炉分段”接线原则，选用6KV作为厂用高压电压，380V作为厂用低压电压。
2.3短路电流的计算
短路电流由于其值很大，在极短的时间内就能产生较大的损耗，由于来不及散发热量而造成电气设备的温度急剧升高，引起设备的老化或损坏，对供电的可靠性产生影响。当所选设备不能满足短路电流的限制时，对供电的可靠性将产生极为严重的影响。为此，在设计主接线时，应计算短路电流。
短路电流计算的目的是为设备的选型提供依据；初步考察短路事故对发电厂以及系统的可靠性和稳定性的影响，为电厂主接线形式的选定、继电保护装置的选择和整定计算提供依据。此外，通过对短路电流的计算，还可初步确定系统的损耗，为发电厂的经济运行提供依据。
本次短路计算中，选取了两个短路计算点，110KV母线和220KV母线上各一个，短路类型定为对系统影响最为严重的三相短路。计算过程如下：
3、电气设备的选择
选择并校验断路器、隔离开关、电抗器、电流互感器、电压互感器、母线、电缆、避雷器等，选用设备的型号。正确的选择电气设备的目的是为了事导体和电器无论在正常情况或故障情况下，均能安全、及经济合理的运行、在进行设备选择时，应根据工程实际情况、在保证安全、可靠的前提下，积极而稳妥的采取新技术，并注意节约投资，选择合适的电气设备。
4、总结
火电厂的电气一次设计是对电气专业知识的一次综合性运用，能够为设计人员的工作实践打下良好基础。本文以2×3OOMW火力发电厂为例，主要论述了火力发电厂电气一次部分设计的主要内容及基本思想，涉及设计的功能、技术指标及工作步骤。希望能为电气领域的同仁提供必要的借鉴。
1.引言
《数字电子技术》是高等学校通信工程、电子信息工程、自动化、电气工程及自动化等专业的重要专业基础课程[1]。随着数字应用电子技术、数字系统的高速发展，以FPGA (Field Programmable Gate Array)和CPLD(Complex Programmable Logic Device)为代表的大规模可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，PLD)的广泛应用，使传统“板上数字系统”被“片上数字系统”替代[2]。为适应数字电子技术的发展趋势，对传统《数字电子技术》教材内容进行了改革，在教材内容的安排和例题选用上，立足于应用型人才培养，以现代信息技术为依托，注重理论联系实际，取得较好的应用效果。
2.教材改革的基本思路
随着数字电子技术的快速发展，如何处理数字电子技术的经典内容与现代内容、传统分析设计方法与现代分析设计方法之间的关系，是教材内容改革的重点。教材以“基础知识器件原理器件应用器件仿真系统构建系统仿真”为主线，构建数字系统的知识框架。在教材内容组织上，将数字电子技术和数字系统有关知识融为一体，系统介绍数字电子技术与数字系统的基本分析方法和设计方法;在教材内容编写上，以培养学生的应用能力和实践能力为目的，采用案例式或项目式编写思路，将理论知识和实际应用相结合，把突出知识的应用性和实践性作为主要方向，做到理论和实践并重，既强调理论基础，又突出应用性。对于集成电路注重逻辑功能和使用方法介绍，增加EDA (Electronic Design Automation)技术基础知识[3]，利用Multisim 软件对部分电路进行功能仿真，并介绍VHDL语言、QuartusⅡ软件的基本使用方法，利用VHDL语言设计部分数字电路，利用QuartusⅡ软件进行仿真分析，适应现代电子技术飞速发展和应用的需要。
3.教材的主要特点
3.1 教材内容组织
按照教育部高等学校电子信息科学与电气信息类基础课程教学指导委员会对《数字电子技术基础》课程教学的基本要求，对《数字电子技术》教材内容进行重新组织，将教材内容分为十章[4]。第一章介绍逻辑代数的基础知识，主要包括各种数制、常用的编码规则、逻辑代数的基本定理、逻辑函数的表示方法和化简方法等。第二章介绍EDA技术的基础知识，包括Multisim、VHDL语言、QuartusⅡ的基础知识。第三章介绍分立门电路、集成门电路和可编程逻辑器件的特点，并介绍利用VHDL语言设计门电路的方法。第四章首先介绍组合逻辑电路的基础知识，然后讲解组合逻辑电路的应用，最后利用Multisim对组合逻辑电路进行功能仿真和设计分析，并介绍组合逻辑电路的VHDL语言设计方法。第五章介绍各种触发器的功能和应用，并利用Multisim对触发器进行功能仿真，介绍触发器的VHDL语言设计方法。第六章介绍时序逻辑电路的分析方法和设计方法，介绍常用时序逻辑电路的功能和应用，并分别利用VHDL语言和Multisim进行功能描述和仿真。第七章介绍脉冲波形的产生与整形电路，重点介绍集成电路的应用。第八章介绍半导体存储器的特点和应用。第九章介绍A/D转换和D/A转换的工作原理和主要技术指标，对集成DAC和ADC的基础知识及应用进行简单介绍，并利用Multisim对基本转换电路进行功能仿真。第十章介绍数字系统设计的基本流程，通过3个实例介绍数字系统的不同设计方法。
3.2强调基础理论
随着数字电子技术的发展，数字电子技术已逐渐渗透到各个行业，《数字电子技术》课程作为高校电类专业的基础课程，是学生走向数字化时代的第一门课程，也是某些高校相关专业的考研课程，其重要性不言而喻。教材编写强调《数字电子技术》基础知识的系统性、完整性，将逻辑代数基础、组合逻辑电路分析与设计、时序逻辑电路的分析与设计等基础知识作为教材核心内容，并结合部分高校相关专业《数字电子技术》研究生考试大纲的要求，增加部分教学内容。例如，在第六章“时序逻辑电路”中增加利用观察法和隐含表法进行状态化简的内容，使学生能够更容易掌握时序逻辑电路的传统设计方法。
在教材内容编排上，反复训练基础理论知识，使学生更好地学习并掌握基础理论知识，为进一步学习打下坚实的基础。例如，第四章“组合逻辑电路”首先介绍组合逻辑电路的分析方法和设计方法，然后介绍常用集成组合逻辑电路的原理和应用，其中译码器、数值比较器按照组合逻辑电路的分析方法进行阐述，编码器、数据选择器、加法器按照组合逻辑电路的设计方法阐述，使教材内容循序渐进、深入浅出，适用于学生自学，有利于培养学生自主学习能力。
3.3突出实践应用
在教材编写过程中，注重学生对知识应用能力培养的需要，强调具体操作过程中学习理论基础，将知识应用能力培养贯穿整本教材，突出教材知识的实践应用性。在介绍集成电路时，删除集成电路内部电路的分析，强调集成电路的逻辑功能和使用方法[5]，例如，介绍555定时器时，在简单介绍555定时器的电路结构和工作原理的基础上，以“触摸式定时控制开关电路”、“双音门铃电路”等应用电路介绍555定时器的使用方法。
在第九章“数/模和模/数转换器”中，以DAC0808、DAC 0832、AD7543为例介绍常用集成数/模转换器的工作原理和使用方法，并分别给出DAC0832、AD7543与单片机AT89C51的接口电路，既加强与后续课程单片机、微机原理等的联系[6]，又突出教材内容的应用性。3.4增加EDA技术知识
EDA是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的缩写，是从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)的概念发展而来的。教材第二章EDA技术基础知识介绍了Multisim和QuartusⅡ两种EDA工具的操作界面和使用方法，并介绍了VHDL语言的基本结构、数据对象、数据结构、操作符和基本语句结构，使学生借助EDA工具进行电路分析和设计。教材给出了74LS138、74LS153、74LS194、74LS160等常用集成电路的Multisim仿真电路和VHDL描述方法，并在第十章“数字系统设计”中，以“计数报警器”、“简易交通灯控制器”、“函数信号发生器”为例，结合Multisim和QuartusⅡ软件，详细介绍简单数字系统的设计过程，丰富教材内容。
4.结语
《数字电子技术》教材改革是一项长期工程，随着数字电子技术的发展，必将对教材内容产生深刻影响。本教材于2012年10月由北京大学出版社作为“21世纪全国本科院校电气信息类创新型应用人才培养规划教材”出版，2013年12月被评为河南省“十二五”普通高等教育规划教材。教材经过3年多的使用，得到了广大师生的关注，收集了各方面建议和意见。为了更好地适应现代数字电子技术的发展和应用，需要对教材内容进行进一步改革。
关键词：工厂供电车间配电继电保护电力设备
1引言
国家统计局公布的数据显示：我国啤酒产量在连续9年名列世界第二后，2002年以2386.83万吨超过了美国的2200多万吨的产量，位居世界第一。2003年国内啤酒消费量达到2500万吨，成为世界上最大的啤酒消费市场。这些数据凸显了我国啤酒市场发展之快速、地位之重要。海南亚洲太平洋酿酒有限公司是一个快速发展的企业，年产量也逐年稳步上升，在未来的五年里，年产量将上升到30万吨。一个企业的快速发展，离不开对能源的需求。因此，搞好工厂供电工作，不仅对电力工业是一种促进，而且，对发展工业生产，实现工业现代化也具有十分重要的意义。本文主要针对啤酒厂的一些重要负荷的电路，如酿造车间的配电进行设计。
2 变电室主接线的设计
2.1工厂配电线路的分布图
根据工厂的平面图，设计出在工厂内由高压配电室出线到车间变压器的高压线路走线，如下图图1所示。
2.2 负荷参数计算
工厂生产的流程图如图2所示
图2 啤酒酿造工艺流程
2.2.1三相用电设备组计算负荷的确定
计算负荷是供电设计的基本依据。计算负荷确定得是否正确合理，直接影响到电气设备和导线电缆的选择是否经济合理。我国普遍采用的确定用电设备组计算负荷的方法，主要有需要系数法和二项式法。本设计将采用需要系数法计算用电设备组计算负荷。用电设备组计算负荷是指用电设备组从供电系统中取用的半小时最大负荷P30。用电设备组的有功计算负荷应为
P30=K∑KLPe/ηeηWL
式中：
K∑――同时系数，即设备组在最大负荷时运行的设备容量与全部设备容量之比；
KL――负荷系数，即设备组在最大负荷时输出的功率与运行的设备容量之比；
ηe――平均效率，即设备组在最大负荷时输出的功率与取用功率之比；
ηWL――平均效率，即配电线路在最大负荷时的末端功率与首端功率之比。
令上式中的K∑KL/（ηeηWL）=Kd，这Kd即“需要系数”。需要系数的定义式为
Kd= P30/Pe是用电设备组在最大负荷时需用的有功功率与其设备容量的比值。
实际上，需要系数值不仅与用电设备组的工作性质、设备台数、设备效率和线路损耗等因素有关，而且与操作人员的技能及生产组织等多种因素有关，因此应尽可能地通过实测分析确定，使之尽量接近实际。
在生产过程中，总结出经验知，啤酒厂的用电负荷都属于同一类型的用电负荷，即属于通风机、水泵、空压机及电动发电机组电动机。其用电设备组的需要系数为0.8，功率因数值cosφ为0.8，tgφ为0.75。
表1：2#变电所的技术参数
2.2.2单相用电设备组计算负荷的确定
在工厂里，除了广泛应用的三相设备外，还有电炉、电灯等各种单相设备。单相设备接在三相线路中，应尽可能地均衡分配，使三相负荷尽可能地平衡。如果三相线路中单相设备的总容量不超过三相设备总容量的15％，则不论单相设备如何分配，单相设备可与三相设备综合按三相负荷平衡计算。如果单相设备容量超过三相设备容量15％时，则应将单相设备容量换算为等效三相设备容量，再与三相设备容量相加。
2.2.3变压器功率损耗计算
①变压器有功功率损耗，按下式计算：
ΔPT≈ΔPO+ΔPKβ2 其中β=S30/SN
②变压器无功功率损耗，按下式计算：
ΔQT≈SN(IO%/100+UK%β2/100)
在负荷计算中，对于S9系列低损耗电力变压器的功率损耗可简化公式计算：
有功功率损耗ΔPT≈0.015S30
无功功率损耗ΔQT≈0.06S30
因此 1#变压器的功率损耗：ΔPT=5.28ΔQT=21.1
2#变压器的功率损耗：ΔPT=12ΔQT=48
3#变压器的功率损耗：ΔPT=1.28ΔQT=5.1
变压器总损耗：ΔPT=18.56 ΔQT=74.2
2.2.4工厂的计算负荷、功率因数、无功补偿
工厂计算负荷是选择工厂电源进线及其一、二次设备的基本依据，也是计算工厂功率因数和工厂需电容量的基本依据。其主要的计算结果表2。
《供电营业规则》规定：“用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因数，应达到下列规定：100KVA及以上高压供电的用户功率因数为0.90以上。”而此时全厂的功率因数为cosφ=0.747，要使功率因数由0.747提高到0.90，必须装设的无功补偿装置容量为
QC=ΔqCP30 ，式中ΔqC称无功补偿率。查相关资料可知，此时ΔqC=0.42。
故QC=375.9kvar。
2.3短路电流计算
2.3.1短路电流计算
短路就是指不同电位的导电部分之间的低阻性短接。
造成短路的主要原因，是电气设备载流部分的绝缘损坏。这种损坏可能是由于设备长期运行、绝缘自然老化或由于设备本身不合格、绝缘强度不够而被正常电压击穿，或设备绝缘正常而被过电压击穿，或者是设备绝缘受外力损伤而造成短路。
在三相系统中，可能发生三相短路、两相短路、单相短路和两相接地短路。
系统短路情况示意图：
1）求d-1点的三相短路电流和短路容量（Uc1=10.5KV）
①电力系统的电抗：电力系统的短路断流容量为200MVA
X1=Uc12/Soc=0.55Ω
②架空线路的电抗：查得X0=0.35Ω/km，因此
X2=X0l=0.35Ω
电路总电抗X∑(d-1)=X1+X2=0.9Ω
③三相短路电流周期分量有效值：
I(d-1)(3)=Uc1/ X∑(d-1)=10.5/ *0.9=6.74KA
④三相短路冲击电流及其有效值：
ish(3)=2.55I″(3)=2.55*6.74=17.18KA
I∞(3)=1.51I″(3)=1.51*6.74=10.17KA
⑤三相短路容量：
S(d-1)(3)=Uc1I(d-1)(3)= *10.5*6.74=122.58MVA
2）求d-2点的三相短路电流和短路容量（Uc2=0.4KV）
①电力系统的电抗：
X1′=Uc22/Soc=(0.4KV)2/200MVA=8*10-4Ω
②架空线路的电抗：
X2′=X0l(Uc2/Uc1)2=0.35*1*(0.4/10.5)2=0.508*10-3Ω
③电力变压器的电抗：查得UK%=4,因此
X3=UK%Uc22/100SN=(4*0.4KV2)/(100*500KVA)=12.8*10-3Ω
电路总电抗X∑(d-2)=X1′+X2′+X3=14.11*10-3Ω
④三相短路电流周期分量有效值：
I(d-2)(3)=Uc2/ X∑(d-2)=0.4KV/( *14.11*10-3Ω)=16.37KA
⑤三相短路冲击电流及其有效值：
ish(3)=1.84I″(3)=1.84*16.37=30.12KA
I∞(3)=1.09I″(3)=1.09*16.37=17.84KA
⑥三相短路容量：
S(d-2)(3)=Uc2I(d-2)(3)= *0.4*16.37=11.34MVA
同理，可得出各个短路点的计算结果，如表4：
表3：
3 结论
两个多月的设计，我查阅了大量相关的资料和参考书，顺利完成了本次主接线设计，巩固了大学四年所学的专业知识，且了解了很多专业的前沿信息。在此过程中，培养了认真负责的工作态度，兢兢业业的敬业精神，这为我以后走向工作岗位作好了准备。在此，特别感谢张宝珍老师的悉心指导，感谢李婉萍老师的教导。
论文摘要:介绍了一种具有重组功能的机电系统综合实验环境的建设方案,学生在该环境下可根据自己的需要,灵活地完成多种控制器的机电控制系统方面的综合实验。
1 实验环境建设的指导思想
“机电系统综合实验”是我校近几年开设的集中综合性实验课程。它是集机械设计、数控技术、模拟与数字电路、控制工程、检测技术、 计算 机控制、机械制造等多门课程知识综合应用的、实践性很强的一门课程。我们现在开设这门课程中所使用的设备包括计算机、计算机接口板和数控x-y工作台,其控制系统的架构单一、被控对象较少,学生只能被动的使用指定的控制器、功能模块,针对单一的对被控对象构建机电控制系统,这使得学生不能自行选择被控对象和自主设计控制系统,束缚了学生创造性思维的发挥,同时也限制了实验内容的展开。
为了改变上述状况,结合学校近期开展的三期本科评建的机会,对该课程的实验环境进行改造,其主要工作是建设一个具有重组功能的机电系统综合设计平台[3],该平台可提供多种控制器和检测元件,可支持尽可能多的被控对象[2]。为此,在建设过程中采用模块化设计[7],使得基于该平台的综合实验便于功能模块的组合、扩展,也便于检查、维护及调试。学生在这个平台可针对不同被控对象,灵活地搭建各种控制系统。利用该环境既可开设机电控制系统的一般原理性、验证性实验,又可完成较大型的综合及设计性的实验。由于该环境被设计成开放性的平台,学生还可根据自己的兴趣爱好,自行设计并完成各种机电控制系统的实验。
2 实验环境的设计与结构
要达到上述目标,在建设时就要考虑到实验环境要具有可重组性和开放性。因此,在设计时按功能模块将环境分为六大部份,即电源模块、控制器模块、基本功能模块、传感器模块、驱动模块、被控对象模块,每个模块采用组件式结构,如图1所示。
2. 1 电源模块
安装各种实验所需的电源:交流220 v、直流24v /5v,为了学生的人身安全,本模块应设置电源总开关并进行可靠的接地处理,同时各电源的要有指示灯,以方便学生接线用。
2. 2 控制器模块
主要用于安装各种实验用控制设备,学生可根据不同的实验内容、要求、兴趣,选择不同的控制设备。如计算机、单片机、工控机、plc可编程控制器,在这个区域还应设计相应的接口电路,为各个控制设备提供相匹配的各种控制信号。
2. 3 基本功能模块
该模块的主要作用是能提供诸如i/o接口、中断信号、定时/计数器、a/d、d/a转换等功能,同时还能提供显示器、纽子开关、按键,并预留电阻、电容、二极管、三极管、晶振插孔以及各种高性能双列直插式圆脚集成电路插座[6],并能提供8路数字信号、2路模拟信号(电压从0~5 v)、两路正负脉冲信号,其频率从1hz~20 khz连续可调,用于模拟数控机床及各种外部设备和各种传感器输入信号。
2. 4 传感器模块
该模块的主要作用是提供尽可能多的传感器及其接口,如:提供光电编码器、接近开关传感器、光敏二极管、光敏三极管、压电陶瓷传感器、热敏电阻、热电偶、直线位移传感器、霍尔传感器等。同时,该模块还配有相应的各类传感器的信号处理电路。
2. 5 驱动模块
该模块的主要作用是能提供:
(1)隔离电路。在 工业 控制中,为了去除干扰,同时为了系统的安全,输入、输出信号的隔离是非常必要的,本模块可设置多路光电藕合器隔离电路。
(2)驱动电路。包括直流电机的驱动电路、步进电机的驱动电路等。
2. 6 被控对象模块
该模块的主要作用是提供被控对象。在该模块中可提供齿轮减速器、滚珠丝杠螺母副、连轴器以及其它机械构件,同时也可提供诸如灯、发光二极管、继电器等电器设备。电机在机电控制实验中是必不可少的。本系统设置了一个步进电机以及一个直流伺服电机。
3 特 点
由于本实验平台采用模块化设计理念和组件式的架构原则,虽然结构简单,然而在进行功能组合时十分方便,最突出的特点是改变了原有实验控制设备单一、控制手段缺乏、被控对象不足等状况,也改变了原有实验单一死板的实验内容,对实验方案可进行灵活多样的变化组合。具体特点如下:
(1)操作简单、灵活、方便。 学生做实验时可根据实验所需灵活地选择各个模块中的不同组件[1],不必过多的考虑与实验关系不大的其他技术环节。这样,既调动了学生的学习积极性和创造性,又提高了实验效率。
(2)学生可根据不同的课程来选择不同的实验内容。 由于在各模块上可以任意选择、安装实验所需的组件,因此使得学生可以直观地了解控制系统构成的各个组成部分的细小环节,掌握各种元器件在使用时的接线和控制方法,解决了已往实验设备整体封闭、学生只能通过外部来了解系统,而对系统中各环节动作的工作原理不能直观了解的缺点。
(3)满足多层次的需求。 由于该环境是开放的,它既可搭配简单的控制电路,又可构成较复杂的控制系统,因此该环境具有随机实验环境的特点。学生可就同一实验内容,设计多种不同起点、不同路径的实验方案[4]。让学生自主选择实验模式,设计实验方案,并为他们提供多次实验机会,可以使学生通过不同途径、不同方式进入同样内容学习的环境,从而获得对同一事物或同一问题的多方面的认识与理解,同时也满足不同层次学生学习的需要[5]。
(4)满足学生个性化的要求。 自拟实验方案,自主确定实验仪器和设备。
(5)留有拓展空间。 该实验环境预留了各种高性能双列直插式圆脚集成电路插座,可组成各种控制电路,给学生留有广阔的设计空间,为学生设计并实现完成不同功能的各种控制系统创造了条件。
(6)一台多用。 通过对这些不同设备的使用,提高了本实验环境的综合实验性能,实现了设备一台多用的目的。
(7)可以灵活组合。实验功能板具有固定线路与灵活组合相结合的特点。选择电源模块、控制器模块、基本功能模块、驱动模块、被控对象模块,就可构成开环控制系统,在此基础上增加检测模块就可构成一个半闭环或闭环控制系统。
(8)可用于创新实践的开发。 如各种创新机器人大赛先期的设计及调试工作可在该环境下进行,既缩短了设计周期,又降低了开发成本。
4 可开出的实验项目
(1)步进电动机控制系列
软件环形分配器的设计实验
硬件环形分配器的设计实验
光电隔离电路设计实验
驱动电路的设计实验
步进电动机正反转控制实验
步进电动机调速实验
(2)数控机床电气控制系统综合实验系列
控制系统设计实验
扩展程序存储器和数据存储器实验
设计显示电路和键盘电路的实验
扩充i/o接口电路的实验
其他辅助控制电路设计实验
伺服系统控制电路设计实验
(3)数控机床运动轨迹控制综合实验系列
数控技术逐点比较法插补算法实验
刀具运动轨迹的控制实验
(4) 工业 控制、传感器综合型实验系列
小型立体仓库模型控制系统设计实验
模拟普通机床数控化改造实验
模拟工业机器人机构与伺服系统设计实验
自动分拣系统的设计及控制实验
单轴运动半闭环系统设计实验
教室的灯光管理实验
自动检票系统设计实验
(5)可编程控制器实验系列
基本指令编程练习
三层电梯控制系统的模拟
四层电梯控制系统的模拟
机械手动作的模拟
led数码显示控制
五相步进电机的模拟控制
十字路口 交通 灯控制。
5总 结
利用具有可重组功能的 计算 机控制平台,为完成机电控制方面的实验提供了一个很好的环境,使复杂、烦琐的工作变得简单、灵活、方便,使原来的只能完成单一实验的设备经过整合、二次开发,能满足多门课程的实验教学需要,实验的深度与广度可根据需要作灵活调整。由于环境建设采用组件式结构,更换便捷,如需要扩展功能或开发新实验,只要在各模块中添加所需部件即可。各模块图线分明、标识清楚、作用明确,使使用者操作、维护方便。
例如,选择一套步进电机、齿轮减速器、滚珠丝杠螺母副、连轴器、光电编码器等,就可构成一维单轴运动半闭环控制系统;若选用上述两套设备就可构成二维x-y传动系统;如果选用三套,就可构成三维立体传动系统,可完成诸如小型立体仓库、数控机床运动轨迹控制等综合实验,并为开展较大型的综合性实验提供了可能。另外,对目前学校已购置了慧鱼创新机构设计平台,我们可以利用该环境对其控制系统进行改造,即可以用单片机进行控制,也可以用微机等其它设备进行控制;既可用汇编语言,也可用c语言或其他高级语言来进行控制程序的设计与编码。这样使学生熟悉了各种控制器的设计方法,提高了他们对电气控制系统的设计能力。同时该环境也为课程设计、毕业设计、学生课外科技活动等提供了实践创新的平台。开发现有实验资源,加强实验室建设,改进实验教学方法与手段,实现理论教学与实践的有机结合,只有这样才能充分实现学生知识——能力的迁移、转化和创新,这对培养人才具有十分重要的意义。
实践证明,综合实验室的建设与功能开发,在实践教学改革中发挥着越来越重要的作用。我们将进一步拓展实验教学时空、创新实验教学方法,提高实验教学质量,为全面提高人才培养质量奠定坚实的基础。
参考 文献 (references):
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关键词:数字电路与逻辑设计;实验教学;教学改革
中图分类号:G642文献标识码:B
1引言
“数字电路与逻辑设计”是计算机类专业的专业基础课,具有综合性与实践性两大特点,特别是实践动手能力是学好这类课程的关键,这也是学生进入大学的第一门与工程相关的硬件课程,学生需要掌握的不仅仅是相关的课程知识,更应该通过实际电路的分析与设计学会逻辑思考,为后续的计算机组成原理、微机接口与通信、嵌入式系统原理等硬件系列课程打好基础,这就要求将所学的知识综合运用、融会贯通。
由于学生缺乏工程实践经历,习惯用数学思维思考,不做可行性分析和定性分析,所以对课程的学习经常抱怨“上课听不懂、实验没头绪、太难……”,最后失去对硬件系列课程的兴趣,不能很好地理解计算机结构和工作原理,对于很多问题,包括软件设计等问题都不可能找到最优的解决方案。如何通过实验的训练,使学生掌握工程设计的主要程序和方法,培养分析和解决工程实际问题的能力,树立正确的设计思想,训练逻辑思维能力和创新意识是值得探讨的问题。
2实验课程改革思路
华南农业大学为计算机类专业开设的“数字电路与逻辑设计”课程计划学时数为88学时,其中授课64学时,实验24学时。以下介绍我们在实验教学中为提高学生学习积极性、训练逻辑思维能力和实际操作能力所提出的教学改革思路和实践情况。
2.1实验组织模式的改革
“数字电路与逻辑设计”实验主要包含验证性实验、
设计性实验、课程设计和创新实验四大类。在实验课上针对这四种不同类别和层次的实验,采用不同的实验组织模式,如图1所示。
图1实验组织模式
对于重点考察基础知识、基本分析设计能力的验证性、设计性实验要求学生独立完成,每个实验又包含必做实验和选做实验,难度分级适当,既有多数学生都能完成的基本设计和制作,使他们在实验过程中掌握基本的知识并获得成就感,又有具有挑战性的项目,可激发学生的研究探索兴趣,以期实现较好的教学效果。
课程设计是单独设立的一个实验教学环节,学时数为两周,时间安排在讲授完“数字电路与逻辑设计”课程之后到“计算机组成原理”课程开课之前,用以加强数字逻辑的学习,并为“计算机组成原理”课程的学习作好预备。课程设计要求学生组队合作完成,设计过程采用开放式的管理。
作者简介:曹维(1978-),女,陕西西安人,实验师,工程硕士,主要研究方向为计算机硬件研究及应用。
创新实验是在完成课程实验和课程设计后,吸收部分对硬件感兴趣的优秀学生加入到创新实验的团队中来参加各种创新项目。
实验课的组织模式涵盖了各种层次的需求,既满足课程要求,又有延伸。
2.2实验内容的改革
实验内容的设置非常重要,不但要涵盖基本概念、基础知识,还要有实用性、可操作性。要有新意,与工程应用相结合;难度有层次性,既可以使大部分学生都可以完成基础实验,又有挑战性。“数字电路与逻辑设计”课程的实验安排如表1所示,每个实验都分成两部分。第一部分是基础实验,通过实验使学生进一步巩固和加深对相关课程基本理论的理解,巩固基本概念,提高综合运用所学知识的能力;第二部分是延伸实验,目的是进一步提高学生对数字系统的理解、培养学生独立分析问题和解决问题的能力、综合设计及创新能力,培养学生进行科学研究的独立工作能力,取得工程设计与组装调试的实践经验。
表1实验安排
实验名称 学时 实验延伸
实验一:芯片检测和基本门的构建 2 学习示波器和万用表的使用
实验二:组合逻辑电路的分析与设计 4 多进制全加、全减器的分析设计;OC门、三态门的认识。
实验三:中规模组合逻辑电路设计一
(并行加法器) 4 各种码形变换电路
实验四:中规模组合逻辑电路设计二
(译码器、数据选择器) 4 串并变换电路、交通灯故障报警电路、密码电子锁电路、表决器电路的分析与设计
实验五:触发器测试 2 加强时序概念的理解
实验六:同步时序逻辑电路分析设计 4 不完全确定同步时序逻辑电路分析设计
实验七:中规模集成电路计数器的功能及应用 4 综合运用
综合实验:课程设计 2周 硬件描述语言VHDL
2.3实验方法的改革
实验课教学不再是单纯的老师讲解、学生照电路图连线,也不是简单地完全交由学生独立完成,而应是根据实验类别分别处理。
验证性实验和设计性实验主要进行基本技能训练,先由老师讲述知识点的背景、问题产生的缘由、电路构成的思路等,之后才要求学生动手实验。对每一个讲解的电路,都要留给学生一系列问题:电路的设计思路是什么?有没有问题?适用在什么场合等等。要求通过实际电路的检测
来寻求答案,学生通过主动思考来解决问题,大大激发了学习兴趣。在此基础上,再要求学生完成较有难度的设计,学生根据所学逻辑电路的设计步骤,设计、连接电路并调试,写出完整的实验报告。
课程设计要求综合运用当前课程和前修课程的基本知识,进行融会贯通,对所学专业课程知识进行综合和实际应用。实验前给出设计要求,要求学生按设计任务书中的要求独立完成探索研究、查阅资料、设计方案、选择设备和安装调试、评估优化,写出完整的项目说明书。老师只进行答疑,但不涉及基础知识。
创新实验不是针对所有学生开设的,选择吸收部分对硬件感兴趣的优秀学生加入到创新实验的团队中来参加各种创新实验活动。实验室提供了元器件、硬件组装平台、各种产品开发平台,学生经过市场调研、分析设计、确定开发工具、项目实现、评估优化、开发说明书等过程,需要综合运用各门课程的知识,还要涉及到一些未曾接触过的领域,老师只进行设计思路的指导。通过创新实验即培养学生的科研兴趣也提高他们开发硬件产品的水平。
3实验课程改革实施情况分析
“数字电路与逻辑设计”的实验教学改革经过4年的实施,取得了一定的效果,学生普遍对硬件类课程产生了兴趣,提高了综合运用知识的能力,训练了逻辑思维。
3.1培养了分析和解决工程实际问题的能力
在同步时序逻辑电路分析设计(实验六)这个实验中,实验课上给了学生电路图(图2),要求学生分析,并搭建实际电路验证,大部分学生都可以根据电路图写出方程式(输出方程、驱动方程、状态方程)、列状态转移真值表、画状态转移图和时序图、说明逻辑功能,得出的结论是“111……”序列检测器,再按电路图搭建实际电路,测试结果。学生发现实验时两个1输入之后,输出就为Z=1,与分析结果不符,继而查找出原因是输方程为Z=xy2 y1,在11状态之后,输入x=1,在时钟未到来输出已经置1,修改电路为Moore型,则可实现“111……”序列检测器。
图2同步时序逻辑电路分析设计电路图
通过这个实验,学生们加深了对时序概念的理解,训练了独立思维的能力和动手能力,发现了指导老师也未注意的问题,对课程的学习产生了信心。
3.2训练了逻辑思维能力和创新意识
中规模组合逻辑电路设计(实验三)要求选用4位并行加法器和适当的逻辑门电路实现(X+Y)×Z,其中,X=X2X1X0、Y=Y2Y1Y0、Z=Z1Z0均为二进制。实验中希望同学积极思考,采用不同的方法来实现。下面介绍其中2种设计。
根据乘数和被乘数的取值范围,可知乘积范围处在0～48之间。故该电路应有6个输出,设输出用W5W4W3W2 W1W0表示。
第一种设计方案,两数先加再乘,过程如图3。
图3第一种设计方案
第二种设计方案,两数先分别乘,如图4、图5;再将结果相加,过程如图6。
经过这个实验,大部分的学生愿意积极主动思考,敢于创新,并通过实验训练了逻辑思维能力。
图4第二种设计方案(1)
图5第二种设计方案(2)
图6第二种设计方案(3)
4结束语
在“数字电路与逻辑设计”课程的实验教学工作中,我们不仅注重实践动手能力的培养,更注重逻辑思维能力、综合运用知识能力、创新意识的培养,更要使学生掌握工程设计的主要程序和方法,培养分析和解决工程实际问题的能力,树立正确的设计思想。
实验教学改革是一个长期过程,它需要在实践中不断深入与完善,适应科学技术的发展和社会对高素质人才的需求。
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关键词：电能计量装置；计量误差；误差成因；解Q对策；电力系统；供电企业 文献标识码：A
中图分类号：TM933 文章编号：1009-2374（2017）05-0204-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.05.099
电能计量设备的运行质量关系到供电企业的经济收益，关系到用电客户的经济利益，同时也影响到整个电力系统的健康运行，为了控制计量误差、提高计量精准度，必须对计量误差成因进行科学深入的分析，了解误差的来源和成因，对应采取科学的应对措施，确保计量设备的高效运行，获取更加精准的计量数据，控制误差的产生，从而为客户提供满意的服务。
1 电能计量装置误差产生的原因
1.1 电能表选型与使用不合理
要想确保电能计量设备功能的有效发挥，就需要根据规定的规程与标准来科学选型电能表，结合实际的电力需求、供电服务现状等来科学选配电能表的型号、电压与电流以及所配置的数目、所采用的计量方法等。例如：月用电量达到100kW・h的高用电客户，需要选择0.2级电压，TA和0.5级有功电能表。相反，电力需求量较小、负荷电流广泛变化、线路流经电流较小的客户则适合选择宽负载电能表，这样才能控制计量误差。电能表的选型与实际的计量要相互匹配，例如：三相三线计量设备不适合三相四线制的计量，可能造成更大误差，而且当三相负荷失衡时，中性点可能丧失电流，Ib=In-Ia-Ic。
1.2 所选TA不合理
1.2.1 励磁所导致误差。被测试的电力线路内有一定的负载电流，流经TA一次绕组，会导致二次绕组出现感应电动势，则势必要损耗励磁，对应为铁芯带来磁通，对应引发TA计量的失误。TA的计量失误主要源自互感器角差，通常来说导致误差的励磁电流同以下因素相关：磁路长、铁芯截面、导磁率等，绕组匝数、电阻等也会影响到励磁电流，按照以下公式来求出电流互感器比差：
fI=4.5×105L（Z2+Zb）sin（Φ+α）×100%/uW22S
式中：S为铁芯有效截面；L为磁路长；u为导磁率；W2为匝数；Z2为阻抗；Zb为负载阻抗。
根据上面公式能够判断出：铁芯导磁率与阻抗角、外界负载阻抗等都会影响到fI。对此必须科学选配参数，选择特定的补偿性方法来控制互感器误差。参照互感器负荷特征图1、电流特征图2以及误差特征数据统计表1等能够得出几组最理想的数据：
二次负荷∈25%-100%，一次电流=60%额定电流。
1.2.2 不合理的二次容量。电流线圈阻抗Zm，外接导线电阻Rl，接触电阻RK都同TA二次负荷连接，对此形成了下面的公式：
要想确保TA精准科学，就应该对Z2提出要求，应该具有如下关系：0.25Z2N≤Z2≤Z2N，实际的TA选配过程中，要重点关注二次容量值，适合选择电流回路负荷阻抗低的计量设备，例如电子电能表或者控制外接导线
电阻。
2 控制电能计量装置综合误差的对策
2.1 科学选型与使用计量设备
2.1.1 优选精度、性能都良好的电能计量设备。目前，多功能电能表逐渐问世，实际运用中运行有效、计量精准、误差较小，其多功能特性具有一定的兼容性能，例如：可以实现正反向有功、无功等的计量与脉冲输出、失压记录等，具有先进的过载性能。
2.1.2 科学组配，控制互感器合成误差。参照TA/TV误差，进行科学组配，以此来控制互感器的合成误差。TA与TV的比差符号要尽量反向，而且尺寸要相当，角差符号也要尽量保持一致，以此来最大程度控制误差，进而来控制计量设备所产生的计量误差。
2.1.3 计量设备误差的检查。根据互感器合成误差调整计量设备误差，二者之间为相对立关系，要确保合成误差最小状态下展开。计量设备的综合误差要尽量最小，以此来确保电能计量的准确度。通常来说，I类计量设备误差≤+/-0.7%，其他的二类、三类计量设备误差≤+/-1.2%。科学选配TA变比，通常来说，负荷电流应该处于TA额定电流60%。
2.2 计量方法的科学选择，控制误差
特殊的计量设备，例如：同中性点系统连接时，为了控制计量失误现象，适合选择三相三线制计量设备，两台TA二次绕组则适合选择四线连接，对于四线链接，如果公共线路中断，TA极性反接等则势必会影响到计量准确度。
2.3 定期分析计量设备误差原因
编制一个数据表格，其中主要包括以下数据：TA和TV合成误差、TV二次回路压降误差等，设备校验过程中应该参照数据表来对计量设备做出调整，要尽量消除计量误差。
2.4 控制二次回路压降带来的计量误差
2.4.1 配置TV与TA二次回路。特殊管理计量设备，将其配置TV和二次回路。各个电能计量设备有独立的回路，例如二次回路、保护设备回路等都要独立运行，为了达到这一目标，应该采用从TV二次端子穿向专门电缆抵达计量设备。因为电能计量设备线圈阻抗过大，流经特定电缆内部的电流较低，以此来控制二次导线压降，控制计量误差。
2.4.2 二次导线截面的选配。要想确保各类计量设备二次压降在0.25V与0.5V以下，就需要对导线截面面积科学调整，S≥0.25LI，S≥0.12LI。结合互感器二次回路的条件来对应决定导线的长短、截面大小。负载大小确定的情况下，要根据电缆截面的具体大小、导线的长短等，截面面积要在2.5mm2以上。
2.4.3 科学调整TA二次回路导线截面。要保证其截面最小不能小于4mm2，其内部不能设置接头，要设置特定的长度来方便导线转动，切实测出TV的二次负荷大小，确保其数值在规定的额定值范围内。计量设备所处的二次回路要除掉没用的接点，而且要做好清洁工作，擦拭掉接点处的灰尘，控制接触电阻，当二次回路中设置了熔断器时，则要细致检查接触环节，查看其是否
牢固。
2.4.4 就地计量。正确的计量方式能够确保获得更为准确的计量结果，有效控制TV二次导线的长度，按照以下公式：ΔU= Ir，当I变大时，因为r较小，对应的ΔU也会减小，对应的二次回路压降、计量误差等也随着下降。如果是系统电压达到35kV，则不适合配置隔离开关，相反，应该配置熔断器，如果电压等级小于35kV，其计费方式则不适合配置隔离开关辅助触点，也不适合配设熔断器，相反，要将二次回路设计在电压回路中。
2.5 采用电压补偿设备
引发计量误差的又一大原因在于：互感器二次接线错误，从而导致二次回路压降，对此则应该从电路内部电压降入手，对其加以控制。具体方法：控制二次回路导线长、扩大导线截面面积，以此达到导线电阻控制的目标。也可以引进压降补偿设备，以此来提升计量设备的计量精准度，或者将变压器设置于电源、负载中间，以此来确保线路的电压。
3 结语
电能计量是供电企业供电服务收益的依据，只有精准、科学的计量，获得准确的计量数据才能使得电费核收被大众所信服。计量设备是电能计量的主要设备，设备自身的运行效果、精准度以及使用功效等都会影响到计量结果的准确度，必须做好计量设备的管理，控制计量误差，从而确保计量的精准性、科学性，保护各方利益。
参考文献
[1] 郑尧，等.电能计量技术手册[M].北京：中国电力出版社，2002.
